CN207051484U - 一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量海平面大气气溶胶消光系数的装置，其中，分光镜将激光分为第一光束和第二光束，第一光束用于直接射入待测量消光系数廓线的水平大气中，第二光束反射射入光电二极管中从光信号转化为电信号，后传输至Pico数字示波器，折返天文望远镜收集海平面非均匀水平大气散射回的回波信号，聚焦透镜将大气后向散射回波信号聚焦到滤光片上，门控光电倍增管用于将光信号分段转化为电信号，电信号放大输出至Pico数字示波器，处理器用于数据处理，还用于发出控制信号以控制门控光电倍增管的开门延迟时间并调整可控放大模块的放大倍率。本实用新型的装置可用于测量海洋低层大气或称为海上水平方向上大气的消光系数廓线。

Description

一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置

技术领域

本实用新型属于大气光学测量领域，更具体的说，一种基于改进的Mie 式散射激光雷达的海上大气气溶胶水平消光系数廓线的测量装置。

背景技术

近几年，随着经济的迅速发展，环境的破坏也越来越严重，尤其是大气的污染已严重影响到人们的身体健康和日常生活，因此，对大气进行探测研究显得更加重要。

人们所熟知的大气能见度(Visibility)能够反映大气的透明程度，是与大气探测相关的物理量之一。大气能见度是一个重要的气象观测要素，能见度值的预报不仅用于气象部门的天气分析，还能广泛应用于航空、航海、高速公路等交通运输、军事以及环境监测等领域。

对大气能见度的测量实质是对气溶胶消光系数的测量。气溶胶探测技术主要可以分为两大类：被动探测与主动探测。其中，被动探测又主要包含卫星被动遥感探测和地面太阳辐射计等。主动探测即激光雷达探测。

激光雷达用于大气气溶胶探测具有探测范围广和高时空分辨率的特点，近年来被广泛应用于大气与环境检测领域。激光雷达作为一种主动遥感探测工具，可以获得丰富的气溶胶相关的光学特性，而能提供较为准确的气溶胶光学特性信息，激光雷达可以与卫星或者机载遥感探测相结合，适用范围较为广泛。

利用激光雷达探测大气气溶胶消光系数，通常是针对垂直大气。在获得垂直大气激光雷达数据之后利用Fernald方法进行垂直方向上的消光系数廓线反演。然而，在海洋上水平大气气溶胶光学特性的探测也是十分有必要的。因为，在船舶航行过程中，实时获取船只周围的水平大气能见度变化可以避免因能见度过低引发的航行安全问题。更重要的，在军事应用方面，获得舰船之间区域的气溶胶消光系数分布对实现高效的舰船间激光通信有着非常重要的意义。

然而，现有的对于水平大气消光系数测量技术存在一定局限性，其测量值不准确，没有实际应用的价值。因为，现有技术中，将激光雷达系统用于水平大气气溶胶测量的过程中，通常先假设大气均匀分布，然后使用斜率法反演获得一个固定的消光系数值。但是，在实际情况当中，大气水平均匀分布的假设并不成立。尤其在海洋上，由于特殊的气候条件导致海洋上低层大气中的水汽凝结聚集从而产生海雾。这种海雾厚度通常在几百米到数千米不等。激光雷达对气溶胶探测的距离范围通常为公里量级，则对存在海雾的情况下假设大气均匀分布，显然不能够获得准确的气溶胶消光系数值。

因此，需要对现有装置或者方法进行改进，以能准确测量出海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，通过巧妙设置光学器件，对现有的装置进行改进，本实用新型的装置可用于测量海洋低层大气或称为海上水平方向上大气的消光系数廓线。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，其包括激光器、激光器电源、折返天文望远镜、聚焦透镜、滤光片、门控光电倍增管、反射镜、PIN光电二极管、可控信号放大模块、Pico数字示波器和处理器，其中，

所述激光器电源与激光器电连接，以用于给激光器供电并用于设置设定的参数以使激光器按照预期发射激光光束，

在激光器出射激光方向上设置有分光镜，以用于将激光器出射的激光分为相互垂直的第一光束和第二光束，所述第一光束用于直接射入待测量消光系数廓线的海平面非均匀水平大气中，所述第二光束的出射方向上设置有反射镜，所述反射镜用于将第二光束反射至PIN光电二极管中。所述分光镜的镜面与激光器出射激光成45°夹角，激光器出射的激光一部分透射且一部分反射，形成相互垂直的第一光束和第二光束，

所述PIN光电二极管与Pico数字示波器的第一信道相电连接，所述PIN 光电二极管用于将进入自身的光信号转化为电信号后传输至Pico数字示波器的第一信道，

所述折返天文望远镜用于收集海平面非均匀水平大气散射回的回波信号，

所述聚焦透镜和滤光片依次设置在折返天文望远镜的光出口处，所述聚焦透镜用于将大气后向散射回波信号聚焦到滤光片上，所述滤光片用于滤除杂散光，

所述门控光电倍增管设置在滤光片出射光方向上，所述门控光电倍增管用于将光信号分段转化为电信号，所述门控光电倍增管的输出端连接可控信号放大模块的第一输入端，以用于将光信号转换获得的电信号传输至可控信号放大模块，可控信号放大模块用于将获得的电信号放大，

所述可控信号放大模块的输出端连接所述Pico数字示波器的第二信道，以用于将放大后的电信号传输至Pico数字示波器，

所述Pico数字示波器的输出端连接处理器，所述Pico数字示波器用于将输入的第一、第二信道信号转化成数字信息后输送至处理器以进行后续数据处理，

所述处理器输出端同时连接可控信号放大模块的第二输入端以及所述门控光电倍增管的输入端，所述处理器还用于发出控制信号以控制门控光电倍增管的开门延迟时间，还用于根据所述光电倍增管的开门延迟时间调整可控放大模块的放大倍率。

进一步的，所述聚焦透镜、所述滤光片、所述门控光电倍增管通过连接筒连接成整体，该整体固定在所述折返天文望远镜的光出口处，

所述聚焦透镜和所述门控光电倍增管设置在连接圆筒的两端，所述滤光片设置在所述连接圆筒的中间处。

进一步的，激光器的光轴和折返天文望远镜的入瞳中心处在同一高度在同一水平线上。

进一步的，所述激光器的光轴和所述折返天文望远镜的光轴在水平方向上之间具有夹角。

进一步的，所述激光器的光轴和所述折返天文望远镜的光轴之间具有夹角为0.1毫弧度～10毫弧度之间。在实际工程中，可在折返天文望远镜下增加一个可移动垫板，该垫板可左右移动调节折返天文望远镜的左右偏移角度。

进一步的，所述激光器为发射波长为532nm的脉冲激光器。

进一步的，所述滤光片为中心波长为532nm的滤光片。

进一步的，其能用于测量0.5km～6km距离范围内海平面非均匀水平大气消光系数廓线。

进一步的，所述折返天文望远镜为马克苏托夫-卡塞格林式折返天文望远镜。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于使用分段采集放大信号的测量方式，能够取得提高远距离回波信号信噪比，从而能适用于海平面非均匀水平大气在水平方向上消光系数的测量，并大大增加了测量范围，提高了测量的准确性。

附图说明

图1是本实用新型实施例中测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置结构示意图；

图2是本实用新型中海平面非均匀水平大气气溶胶分段放大后的散射回波信号；

图3是本实用新型实施例装置测量获得数据后具体的数据处理流程框图；

图4是本实用新型实施例获得的海平面上非均匀水平大气消光系数廓线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器 2-激光器电源

3-折返天文望远镜 4-聚焦透镜

5-滤光片 6-门控光电倍增管

7-反射镜 8-PIN光电二极管

9-可控信号放大模块 10-Pico数字示波器

11-处理器

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型根据海洋低层大气气溶胶的特性设计了一套能够实现0.5km 到6km范围内海平面非均匀水平大气消光系数廓线测量的装置。

图1是本实用新型实施例中测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置结构示意图，由图可知，其主要包括的器件有激光器1、激光器电源2、折返天文望远镜3(具体是马克苏托夫-卡塞格林式折返天文望远镜)、聚焦透镜4、滤光片5、门控光电倍增管6(带门控功能的光电倍增管)、反射镜7、PIN光电二极管8、可控信号放大模块9、Pico数字示波器10和处理器11。

其中，各个部件的连接关系以及作用分别如下：激光器电源2与激光器1电连接，以用于给激光器1供电并设置设定的参数使激光器1按照预期发射激光光束。在激光器1出射激光方向上设置有分光镜，以用于将激光器1出射的激光分为相互垂直的第一光束和第二光束，所述第一光束直接射入待测量消光系数廓线的海平面非均匀水平大气中，发生散射，散射光射向四面八方。所述第二光束的出射方向上设置有反射镜7，所述反射镜 7用于将第二光束反射至PIN光电二极管8中。所述PIN光电二极管8与 Pico数字示波器10的第一信道相电连接，进入PIN光电二极管8的光被转化为电信号后传输至Pico数字示波器10的第一信道。折返天文望远镜3 用于收集海平面非均匀水平大气散射回的回波信号。聚焦透镜4和滤光片5 依次设置在折返天文望远镜3的光出口处，聚焦透镜4用于将大气后向散射回波信号聚焦到滤光片5上，所述滤光片5用于滤除杂散光。所述门控光电倍增管6设置在滤光片5出射光方向上，从滤光片出射的光入射至门控光电倍增管6的光敏面上，门控光电倍增管6用于分段将光信号转化为电信号(门控光电倍增管具有门控功能。门控光电倍增管6的输出端连接可控信号放大模块9的第一输入端，以用于将光信号转换获得的电信号传输至可控信号放大模块9，可控信号放大模块9用于将获得的电信号放大，可控信号放大模块9的输出端连接所述Pico数字示波器10的第二信道，以用于将放大后的电信号传输至Pico数字示波器10。Pico数字示波器10 的输出端连接处理器11，所述Pico数字示波器10用于将输入的第一、第二信道信号转化成数字信息输送至处理器11以进行后续数据处理。所述处理器11输出端同时连接可控信号放大模块9的第二输入端以及所述门控光电倍增管6的输入端，处理器11发出的控制信号分别控制门控光电倍增管 6的开门延迟时间和可控放大模块9的放大倍率。

本实用新型中，采用发射波长为532nm的脉冲激光器作为光源发射单元，通过由折反式天文望远镜、滤光片和聚焦透镜组成的接收光学单元来接收大气反射回波信号，并由光电单元处理得到电信号，再由数据处理单元将电信号做进一步的处理，反演得到海平面非均匀水平大气的消光系数廓线。

本实用新型中，激光器1的光轴和折返天文望远镜3的光轴均平行于当前处的海平面。所述激光器1的光轴和所述折返天文望远镜3的光轴之间具有夹角。所述激光器1的光轴和所述折返天文望远镜3的光轴之间具有夹角为0.1毫弧度～10毫弧度之间。由于激光雷达系统的收发模块不同轴，这会产生一个测量不到大气后向散射回波信号探测盲区，这样子设计可改变折返天文望远镜的左右偏移角度以减小探测盲区。

本实用新型装置的具体工作过程如下：

首先，由激光器1向空旷海上大气水平的发射一束激光，该激光光束的脉冲能量为50mJ，波长为532nm，处于人眼最为敏感的波长段。

接着，由于在激光光束前设置有一分光镜，分光镜将光束分为两束，一束直接入射至海平面非均匀水平大气中，另一束则再经过反射镜入射到 PIN光电二极管中。

一方面，入射到PIN光电二极管中的光束为触发信号，该光束由PIN 光电二极管转化成电信号并输入至Pico数字示波器的第一信道中。

另一方面，由于入射至海平面非均匀水平大气的激光光束在大气中传输的过程中碰到大气分子和悬浮在大气中的颗粒物时会发生散射，散射的光沿四面八方传出，其中一部分散射光为后向散射光，由折反式天文望远镜则将后向散射光收集，折返天文望远镜输出光信号通过聚焦透镜聚焦至中心波长为532nm的滤光片，再由滤光片滤去背景杂散光以减小甚至消除对信号光的影响。从滤光片射出的出射光由门控光电倍增管收集。

然后，处理器发出控制信号控制门控光电倍增管的开门延迟时间，分段地接收光信号，门控光电倍增管一直处在待机状态，当接收到光信号时，门控光电倍增管工作，以将光信号转化成电信号输送至可控信号放大模块。

再接着，可控信号放大模块受处理器发出的控制信号所控制以对不同分段时间传入的电信号做不同放大倍率的放大处理，将放大后的电信号输入值Pico数字示波器的第二信道。Pico数字示波器通过模拟转换器将两个信道的电压信号分别转化成数字信息，并重构波形将两通道的电压-时间关系曲线显示在处理器上。其中，第一信道的信号为示波器记录数据的触发信号，第二信道的信号为海平面非均匀水平大气后向散射的回波信号，它是回波电压与时间的关系曲线。

最后，由处理器存储记录电压-时间关系数据并通过Matlab或者其他作图软件对数据作进一步处理反演得到水平消光系数廓线。

相对于已有的测量大气水平能见度的系统，本装置的改进之处在于采用了带有门控功能的光电倍增管作为探测器来分段采集大气后向散射回波信号，由计算机发出门控信号控制门控光电倍增管开门延迟时间以达到探测器分段采集不同距离处散射发热回波信号的目的。将分段采集的信号输送至可控放大模块中，通过处理器(或者计算机)的控制信号控制可控信号放大模块对不同段的信号做不同倍率的放大处理。

具体的，近距离的散射回波信号放大倍率设置为较小值，以防止出，现信号饱和削顶现象；远距离的散射回波信号放大倍率设置为较大值，以更好地提取出远距离处的回波信号，增大其与系统热噪声等噪声的信噪比。再将分段放大后的信号输入Pico数字示波器，由示波器转化成数字信息并存储显示数据。

经过分段放大后得到的散射回波信号如附图2所示,通过计算机或者处理器控制光电倍增管开门探测譬如为六次，分别控制每次开门延迟时间，分段记录散射回波信号。与此同时，计算机或者处理器控制放大模块对六段信号进行不同倍率的放大，即看获得如附图2所示的分段放大散射回波信号图。

在实际工程实践中，再对该回波信号做进一步反演处理，由fernald 法取代斜率法反演水平方向上的消光系数廓线。fernald方法是将大气分子和悬浮颗粒物对激光光束发生散射现象的影响区分开，并假定颗粒物消光后向散射比为常数，在此基础上求解Mie散射激光雷达方程从而得到消光系数。

图3是本实用新型实施例装置测量获得数据后具体的数据处理流程框图，由图可知，首先，以譬如六个分段的不同放大倍率值作为参数对整条曲线进行归一化处理；随后对信号进行降噪处理以减小噪声对反演结果的影响，提高性噪比，实际工程实践中，譬如可以采用小波去噪算法，根据多次试验，选取‘db4’作为小波变换的小波基进行软阈值处理；再取最后几公里数据，通过双组分拟合法精确估计气溶胶消光系数边界值；将该消光系数作为fernald算法的起始数据向近距离递归逐一求取不同距离处对应的消光系数，并作出距离和消光系数关系曲线即得到水平方向上的大气消光系数廓线。

图4是本实用新型实施例获得的海平面上非均匀水平大气消光系数廓线，附图4为本实用新型装置于2016年6月29日至2016年7月15日在黄渤海海域进行海洋大气消光系数观测实验时获得到的海平面上非均匀水平大气消光系数廓线。由该图可看出，在水平方向上大气消光系数有明显变化，这和实际情况相符。

本实用新型的装置可以通过门控光电倍增管(分段采集回波信号，并对不同分段作不同倍率放大处理，从而能够测量远距离的海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数。

本实用新型旨在解决原有方案中远距离后向散射回波信号信噪比低、消光系数测量距离小的问题。

总的来说，本实用新型装置能够准确获得消光系数的分布情况，这对于辨别航行时能见度变化提供了非常具有的参考价值的数据指导。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，其包括激光器(1)、激光器电源(2)、折返天文望远镜(3)、聚焦透镜(4)、滤光片(5)、门控光电倍增管(6)、反射镜(7)、PIN光电二极管(8)、可控信号放大模块(9)、Pico数字示波器(10)和处理器(11)，其中，

所述激光器电源(2)与激光器(1)电连接，以用于给激光器(1)供电并用于设置设定的参数以使激光器(1)按照预期发射激光光束，

在激光器(1)出射激光方向上设置有分光镜，以用于将激光器(1)出射的激光分为相互垂直的第一光束和第二光束，所述第一光束用于直接射入待测量消光系数廓线的海平面非均匀水平大气中，所述第二光束的出射方向上设置有反射镜(7)，所述反射镜(7)用于将第二光束反射至PIN光电二极管(8)中，

所述PIN光电二极管(8)与Pico数字示波器(10)的第一信道相电连接，所述PIN光电二极管(8)用于将进入自身的光信号转化为电信号后传输至Pico数字示波器(10)的第一信道，

所述折返天文望远镜(3)用于收集海平面非均匀水平大气散射回的回波信号，

所述聚焦透镜(4)和滤光片(5)依次设置在折返天文望远镜(3)的光出口处，所述聚焦透镜(4)用于将大气后向散射回波信号聚焦到滤光片(5)上，所述滤光片(5)用于滤除杂散光，

所述门控光电倍增管(6)设置在滤光片(5)出射光方向上，所述门控光电倍增管(6)用于将光信号分段转化为电信号，所述门控光电倍增管(6)的输出端连接可控信号放大模块(9)的第一输入端，以用于将光信号转换获得的电信号传输至可控信号放大模块(9)，可控信号放大模块(9) 用于将获得的电信号放大，

所述可控信号放大模块(9)的输出端连接所述Pico数字示波器(10)的第二信道，以用于将放大后的电信号传输至Pico数字示波器(10)，

所述Pico数字示波器(10)的输出端连接处理器(11)，所述Pico数字示波器(10)用于将输入的第一、第二信道信号转化成数字信息后输送至处理器(11)以进行后续数据处理，

所述处理器(11)输出端同时连接可控信号放大模块(9)的第二输入端以及所述门控光电倍增管(6)的输入端，所述处理器(11)还用于发出控制信号以控制门控光电倍增管(6)的开门延迟时间，还用于根据所述光电倍增管(6)的开门延迟时间调整可控放大模块(9)的放大倍率。

2.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述聚焦透镜(4)、所述滤光片(5)、所述门控光电倍增管(6)通过连接筒连接成整体，该整体固定在所述折返天文望远镜(3)的光出口处，

所述聚焦透镜（4）和所述门控光电倍增管(6)设置在连接圆筒的两端，所述滤光片设置在所述连接圆筒的中间处。

3.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，激光器光轴的高度与折返天文望远镜的入瞳中心在同一水平线上。

4.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述激光器(1)的光轴和所述折返天文望远镜(3)的光轴之间具有夹角。

5.如权利要求4所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述激光器(1)的光轴和所述折返天文望远镜(3)的光轴之间具有的夹角为0.1毫弧度～10毫弧度之间。

6.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述激光器为发射波长为532nm的脉冲激光器。

7.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述滤光片为中心波长为532nm的滤光片。

8.如权利要求1所述的测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置，其特征在于，所述折返天文望远镜(3)为马克苏托夫-卡塞格林式折返天文望远镜。